船閘輸水閥門頂止水自激振動切片試驗研究

王曉輝，王 新，張宏洋，魯 琳

(1.華北水利水電大學水利學院，河南 鄭州 450046；2.南京水利科學研究院通航建筑物建設技術交通行業重點實驗室，江蘇 南京 210029；3.河南省鄭州水文水資源勘測局，河南 鄭州 450000)

0 引 言

20世紀80年代葛洲壩船閘(單級、最大工作水頭27 m)建成，標志著我國進入了高水頭船閘快速發展時期。20世紀90年代建成了水口(三級、中間級最大工作水頭41.7 m)、五強溪(三級、中間級最大工作水頭42.5 m)等高水頭船閘，2003年建成了舉世矚目的三峽船閘(五級、中間級最大工作水頭45.2 m)，目前正在建設的大藤峽船閘最大工作水頭40.25 m，為國內外大型單級船閘之最。輸水閥門是船閘輸水系統的咽喉，其安全平穩運行對船閘通航至關重要。高水頭船閘普遍采用運行性能較優的反弧門型式，閥門段空化是制約船閘向高水頭發展的關鍵技術難題，經過數十年的研究實踐，在高水頭船閘閥門水力學方面取得大量的具有我國特色的創新性成果及成套技術[1]，顯著提升了我國高水頭船閘工程建設技術水平。但在高水頭船閘運行中，依然存在影響閥門高效運行的技術問題，較為突出的是閥門頂止水的損壞漏水與自激振動。反弧門開啟之初普遍存在強烈的沖擊型振動，其原因是反弧門頂止水與胸墻脫離形成窄縫，在上下游水頭差作用下發生高速射流空化引起。頂止水窄縫射流空化不僅引起閥門的劇烈振動，同時會引起止水自激振動與大變形，盡管持續時間較短，但閥門啟閉頻繁，反弧門頂止水極易損壞，表現為水力撕裂、剪斷、翻卷、磨損等諸多破壞形式[2]。止水損壞漏水則會引起與小開度運行時類似的閥門及止水的自激振動，這是很多船閘運行一段時間后在擋水狀態下出現周期性振動的原因。閥門止水漏水與自激振動影響船閘的運行安全，檢修更換止水需要停航，若頻繁損壞則會影響船閘的通航效率。盡管在水工鋼閘門止水自激振動方面開展過一些研究[3- 6]，但至今該問題尚未得到妥善解決。為此，本文研發了高水頭閥門頂止水切片試驗裝置，在試驗室內實現了止水自激振動現象的模擬反演，揭示了止水自激振動的發生機理及振動特性，可為該問題研究提供參考。

1 試驗裝置研發與試驗工況

1.1 裝置研發

高水頭閥門通常在較大的淹沒水深下工作，如圖1a所示，原型很難開展閥門頂止水自激振動研究，為了真實模擬閥門頂止水的自激振動現象，研究其自激振動機理，在試驗室內研發了高水頭閥門頂止水1∶1切片試驗裝置。在閥門開啟之初或止水漏水時，頂止水與胸墻形成窄縫，發生高速射流空化，如圖1b所示，由于止水高速射流與自激振動主要發生于頂止水附近，故試驗裝置工作段縱剖面范圍按圖1b截取。切片厚度即橫向的模擬寬度根據止水的壓緊螺栓布置考慮，以三峽船閘閥門止水布置為例，壓緊螺栓間距為12 cm，切片厚度至少包含兩個螺栓，切面選擇相鄰兩個螺栓的中間斷面，則切片總厚度為24 cm，兩個螺栓對稱布置，每個螺栓到最近的切面距離均為6 cm。試驗裝置除了核心的工作段之外，還包括進水口、出水口、有機玻璃觀察窗、頂蓋、調節閥門、排氣孔、壓力表、流量計等，

圖1 閥門布置及頂止水射流空化示意

止水位置設觀察窗，以便于觀測止水變形、高速射流止水空化流態、自激振動等。為真實反映止水的各項性能及實際工作條件，頂止水采用三峽船閘使用的止水材料、壓板型式、固定螺栓，門楣按原型實際情況考慮。試驗裝置設計見圖2，該裝置研制后布置于南科院高速水流試驗平臺，系統壓力可達到150 m水頭以上，滿足試驗要求。

圖2 試驗裝置設計

1.2 試驗工況

以三峽船閘閥門頂止水材料為基礎，改變配方調整止水的彈性和硬度，共提出3種止水材料配方(配方1～3)進行試驗。利用邵爾A硬度計測試了3種止水材料的硬度，每種材料試件測試3個不同位置，取平均值，3種配方材料平均硬度差異明顯，由軟到硬處于3個基本等差的硬度級，分別為60±5、70±5、80±5，其中配方2為三峽船閘閥門頂止水材料。

利用3種配方材料制作“P型”和“半圓頭型”兩種閥門頂止水，開展不同材料、不同型式頂止水的變形特性及自激振動的試驗研究，其中“半圓頭型”止水試件及安裝見圖3。動水壓力作用試驗水頭從低到高逐步進行，每次增加10 m水頭，止水的變形利用固定相機通過側面有機玻璃觀察窗觀測，然后計算機處理得到變形輪廓和變形量。止水自激振動

圖3 頂止水試件及安裝

現象采用高速攝像機拍攝，通過圖像處理，獲得止水振幅和周期。

2 頂止水空化與變形

閥門小開度時，頂止水與胸墻之間形成窄縫，在較大水頭差下窄縫高速射流，止水發生空化和變形，止水自激振動與此密切相關，故先進行不同止水試件的動水壓力作用空化與變形特性研究，為尋找自激振動狀態奠定基礎。

止水安裝時，與胸墻間預留初始間隙，模擬閥門開啟過程中的初始小開度狀態。圖4為“半圓頭型”止水在不同壓力差作用下的窄縫空化形態，可以清晰看出閥門頂止水的工作狀態，在上下游壓差作用下，止水與胸墻間窄縫發生高速射流，在縫隙最窄的斷面發生空化，在10 m水頭下即發生明顯空化，隨著水頭的增大，止水變形增大，空化逐漸增強，伴隨著縫隙減小，空化趨于不穩定。

圖4 頂止水窄縫空化

圖5 不同水頭下“半圓頭型”頂止水變形

圖5為配方2“半圓頭型”止水在0、10、20、30、40 m和50 m水頭作用下的變形，可以直觀看出，在水壓力作用下，止水發生了明顯的彈性變形，隨著作用水頭的逐漸增大，止水向胸墻方向變形(右下方向)逐漸增大，射流縫隙逐漸減小。通過圖像處理，獲得兩種型式止水在各級水壓力荷載下的變形，在水壓力作用下表現出基本一致的變形趨勢，其中“半圓頭型”止水增大到50 m水柱，仍然保持穩定的縫隙射流，而“P型”止水在水頭達到30 m水柱時已經密封。兩種型式止水變形與作用水頭的關系見圖6，可以看出，“P型”止水在30 m水柱壓力作用下變形5.9 mm，“半圓頭型”止水在50 m水柱壓力作用下變形4.3 mm，“P型”止水變形較大，二者變形規律較為接近，但“P型”止水存在結構的應力集中問題，“半圓頭型”止水在結構上具有一定優勢。在水壓力作用下較大的彈性形變是發生自激振動的基本條件。

圖6 止水變形量與作用水頭的關系

3 頂止水自激振動機理

利用本文研發的裝置進行了不同形式和不同材料止水自激振動試驗，閥門頂止水自激振動呈現明顯的周期性，利用高速攝像機進行拍攝處理，圖7為2種形式止水自激振動一個周期過程中的5個狀態，均從較大的縫隙狀態開始，到縫隙逐漸減小或至封閉，然后再逐漸分離，在縫隙寬度變小時，空化明顯增強。

在較大水頭差下，閥門頂止水產生明顯彈性變形，同時止水與胸墻之間窄縫形成高速射流，在縫隙的最窄斷面處發生空化，在未發生強烈的自激振動之前，屬于高速空化水流與彈性止水橡皮的流固耦合振動。隨著止水變形的增大，窄縫寬度逐漸減小，射流空化不斷增強，止水空化斷面及其后的負壓逐漸增大，射流的穩定性變差，負壓對止水作用力為下吸力，在增大的負壓和正壓共同作用下，止水會進一步向胸墻變形、靠近，直至縫隙減至最小或瞬間封閉；止水的彈性變形逐漸增大至最大，即回復力達到最大，同時作用于止水上的負壓減小或消失，則止水的回復力占據主導，促使止水變形回復，止水從最大變形位置向上回彈，遠離胸墻，窄縫增大，發生高速射流空化，回彈后的止水再次受到正壓和負壓的共同作用，向胸墻變形，重復上述過程。如此往復循環，使止水在一定頻率下持續大幅振動，即為閥門止水自激振動發生的機理。

圖7 止水自激振動過程(1個周期)

圖8 頂止水振動幅度

選擇自激振動過程中典型時段，時長約0.3 s，通過對高速攝像機拍攝的圖像進行處理分析，獲得每個時刻頂止水與胸墻之間的最窄距離(用Dc表示)，進而獲得Dc隨時間T的變化規律，即可得到止水自激振動的幅度和頻率。圖8為不同配方“P型”和“半圓頭型”頂止水的Dc-T關系，可以看出，自激振動呈現平穩的周期性，配方1“半圓頭型”止水自激振動頻率約6.67 Hz，Dc變幅約2.5 mm；配方1“P型”止水自激振動頻率約10 Hz，Dc變幅約2 mm；配方2“P型”止水自激振動頻率約27.3 Hz，Dc變幅約1 mm；配方3“P型”止水自激振動頻率約38.8 Hz，Dc變幅約3.5 mm。配方1止水材料較軟，自激振動頻率相對較低，發生自激振動相對容易；隨著止水硬度的增大，變形模量增大，自激振動頻率增大，如圖9所示，但振動幅值無明顯變化規律，主要因為受水壓力、流速、初始間隙、約束條件等多種因素影響，較為復雜。

圖9 止水自激振動頻率與硬度關系

4 結 語

針對高水頭船閘一直存在的閥門頂止水自激振動問題，開展了室內模擬試驗研究，得到結論如下：

(1)研發的無縮尺效應的閥門頂止水1:1切片試驗裝置能夠真實模擬原型止水的工作特性，為開展止水自激振動研究奠定基礎。

(2)首次在試驗室內模擬展示了不同材料、不同型式止水自激振動過程，利用高速攝像技術和圖像處理，揭示了止水發生自激振動的機理。

(3)止水自激振動呈平穩的周期性大振幅特性，自激振動頻率與其硬度(彈模)呈正相關關系，振幅、自激振動發生條件等影響因素較多，需要下一步深入研究。